分子识别作为超分子化学研究的核心内容之一,按照对象种类可分为对离子和中性分子的识别。传感器是一类转换器,可选择性地将分析对象的信息(如酸度、浓度、粘度、化学或生物物种等)转变为分析仪器易测量的物理信号。小分子荧光探针作为传感器的一种,是在紫外-可见-近红外区具有特征荧光发射,并且荧光性质(激发、发射波长、强度、寿命、偏振等)会随着所处的环境目标分子浓度的改变而能够灵敏地响应的一类有机小分子。荧光分子在检测方面具有很多优点,比如,对单一分子的高度选择性,荧光开关的可调节性,荧光的可视化以及与人体的兼容性等。荧光检测方法是非侵入性检测,不破坏样品,易于对目标分子进行实时和原位检测,并可通过荧光强度和目标物质浓度的关系进行定量分析。因此,近年来在分子识别与传感中得到蓬勃发展。大环多胺化合物作为常用的识别基团,因其特殊的生物性质和在配位化学领域的重要作用而广受关注。当将荧光团连接在该类配体的不饱和氮原子上可以很好地满足荧光探针的设计思路。目前研究最多的大环多胺配体一般是以四氮杂环为母体环的化合物,但以往研究较多的四氮杂环的缺点在于和金属离子形成配合物的动力学过程较慢。为了寻找可与金属离子形成更快速反应,更高稳定常数甚至对金属离子具有更好的选择性的配体作为识别单元,在大环中引入了吡啶环以增强所形成配合物的立体化学刚性,也因而可提高配合物的热动力学稳定性。此外,吡啶环还提供了一个合适的结合位点,促进了对特定目标的分子识别过程。本论文主要设计、合成了以含吡啶四氮杂环L1为识别基团,修饰不同的侧臂作为荧光团的离子及分子荧光探针,并通过探针分子中荧光团的种类调节不断改善其识别性能。利用荧光滴定检测了它们在水溶液中对目标化合物的识别特性,并利用多种实验技术方法对相关识别机理作了系统研究。主要研究内容包括：(1)设计合成了水溶性比例型识别焦磷酸根(PPi)的荧光探针,即连接一个萘环侧臂的四氮杂环(A)-Zn2+配合物,通过荧光、紫外滴定,电喷雾质谱和31P谱实验,证明其无论在生理pH值的水溶液还是血清复杂环境中均表现出良好的性能。而荧光滴定实验表明水溶性配体A本身也可对最低0.4μM的Zn2+表现出选择性的放大荧光响应(光谱显示)。A-Zn2+对PPi的识别是基于配合物中Zn2+与PPi的配位作用。也就是说一分子的PPi在两分子的A-Zn2+的自组装过程中起到了模板的作用。识别PPi产生的特征荧光激基缔合物峰可以检测出高于0.2μM的PPi(光谱显示),即使体系中存在过量相似结构的干扰阴离子如磷酸根(Pi)和ATP的情况下仍然不受影响。最后还将A-Zn2+应用于无机焦磷酸酶催化PPi水解的实时比例计量型监测,有效地克服了环境对测量的干扰。(2)设计合成了连接三个萘环侧臂的四氮杂环-Zn2+配合物E,可以靶向荧光识别小牛胸腺DNA(CT-DNA)并有效地破坏CT-DNA的正常功能(CD光谱),从而在三种人体癌细胞(子宫癌HeLa,乳腺癌MCF-7和人非小细胞肺腺癌NCI-H157细胞)中表现出较好的细胞毒性(MTT、细胞核Hoechst33258染色以及流式细胞仪实验)。近年来虽然有一些过渡金属离子(如：钌和锇)配合物应用于抗癌药物,Zn2+配合物却几乎没有这一方面的应用。在E引起的细胞凋亡过程中不会引起caspase-3酶的活化(Western blot实验),同时E和DNA的结合模式包含多种复杂的相互作用模式(荧光、紫外光谱),而不仅是共价结合作用。二者均说明E引起细胞凋亡的机理与顺铂有所不同。这一结果为设计新颖的非铂类DNA靶向配合物抗癌药物和研究结构与性能的关系提供了良好的基础。(3)设计合成了连接一个丹磺酰基团的水溶性荧光探针G,用于在生理pH条件的水溶液中以不同模式响应并且比例计量型检测Hg2+和牛血清白蛋白(BSA)。荧光滴定实验表明水溶性探针G对最低至0.5ppb的Hg2+表现出选择性的荧光淬灭和蓝移的响应(光谱显示),并通过非共价结合作用与1μg mL-1以上浓度的BSA进行选择性响应(光谱显示)。通过理论计算得到G与Hg2+结合前后的结构变化,推测出Hg2+与G的结合模式。探针G可应用于快速Hg2+试纸实验,而且表现出细胞透过性,并可用于在活细胞(HeLa细胞)内的Hg2+荧光造影。而将BSA进行聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)后用G进行染色成像说明G和BSA的结合在非蛋白物质存在时仍不受影响。同时还可应用G对BSA进行荧光响应的比例荧光标准曲线来检测血清样品中的BSA含量。最后将G对Hg2+和BSA进行响应后的不同输入/输出特性应用于建立由三个逻辑门组成的分子开关,因此可利用G作为由不同逻辑门组成的新型分子开关来在纳米级智能检测暴露于Hg2+的血清的变化情况。